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Étude expérimentale de la conductivité électrique globale des sols Application à l'estimation de leur salinité (1)

Mohamed EL OUMRI (2), Jacques VIEILLEFON (3)

(2) Ptdologue au Service d'Écologie (INRA-Rabat) (3) Pédologue à la Mission O.R.S.T.O.M. à Tunis

RÉSUMF?

Après avoir discuté de la représentativité de la conductivité électrique globale comme mesure indirecte de la

conductivité de la solution du sol, il est montré à travers diverses expériences, portant sur des sols variés salés, alcalins

et gypseux de différentes iextures, que ce type de mesure peut également renseigner sur la ieneur pondérale en sels

du sol, dans une assez large gamme d'humidité, variable selon la nature du sol et la composition de sa solution.

MOTS-CLÉS : Conductivité électrique - Sols salés - Méthodologie.

ABSTRACT

EXPERIMENTAL STUDY OF GLOBAL ELECTRICAL CONDUCTIVITY FOR DETERMINING ~OIL SALINITY

TO test

the suitability of surveying the soil-salinity evolution in the field, firstly on the soi1 solution conductiviiy,

and secondly on the sait percenlage, by fhe bulk electrical conductivity, we demonstrate, across a lot of laboraiory

experimenfs using several types of saline, alkali and gypsiferous soils, wifh differents textures, that there is some

possibilities

of controling simply the net total dissolved salis, providing the measures are made in selected moisture

ranges. KEY WORDS : Electrical conductivity - Saline soils - Methodology.

INTRODUCTION

Depuis de nombreuses années la conductivité

électrique des extraits de sol par l'eau est utilisée comme diagnostic de la salinité des sols, ainsi que pour le classement d'aptitude des eaux pour I'irriga- tion. L'extrait de pâte saturée, ou exfrait saturé, sert de référence générale (USSL 1954), alors que les extraits obtenus avec des rapports eau/sol plus

élevés, plus faciles d'emploi, restent sujets a caution et doivent être étalonnés par l'extrait saturé

(S

ERVANT, 1975).

Bien que

parfaitement au point pour les analyses de séries cette technique est très lourde par suite des nombreux prélèvements a effectuer, aléatoire en raison de l'hétérogénéité spatiale des sols et de plus destructive, ce qui interdit de l'employer dans certains essais en place.

Certains chercheurs ont donc fait appel à des

techniques plus maniables et plus répétitives, parmi

(1) Cet article r8sume une partie des rksultats obtenus par le premier auteur au cours de recherches menees dans le cadre d'une

thése de 3e Cycle soutenue & l'Universit8 de PARIS VII le 29 octobre 1981. Cah. O.R.S.T.O.M., str. PMol., vol. XX, no 2, 1983: 91-108. 91 lesquelles la mesure de la conductivité apparente (EC, de RHOADES 6î af., 1971) (1) par la méthode des sondages électriques s'est beaucoup développée dans la dernière décennie.

1. MESURE ET SIGNIFICATION L)E I,A CON-

DUCTIVITÉ ÉLECTRIQLK GI,~RAI,IX

On doit a l'équipe de chercheurs de Riverside

(USA), sous la direction de J. D. RHOADES, l'exten- sion de cette méthode bien connue des géophysiciens a l'étude de la salure des sols. En géophysique, elle est en effet employée A grande échelle pour la détermination de la profondeur et de la nature des couches géologiques de résistivité différente ou leurs altérations (ALBOUY et al., 1970), en hydrogéologie pour la détermination de la profondeur et de la salure des nappes. On peut citer également que!ques applications antérieures dans les sols pour la mesure de la teneur en eau (SHEA & LUTHIN, 1961). I,a méthode des sondages électriques, que nous avons mise en oeuvre, est donc basée sur les mêmes principes que ceux qui sont à l'origine des sondages électriques réalisée en géophysique par la méthode du quadripôle dite : G Wenner 1) ou Q Schlumberger D.

RHOADES et INGVALSON 11971), ont adapté cette

méthode Q l'étude des sols halomorphes en utilisant des dispositifs miniaturisés de (t Wenner o que nom appelerons Q Mélhode horizontale )). En 1975, les mêmes auteurs ont propo.4 une autre technique de mesure électrique de terrain, utilisant une sonde électrique et dénommée (t Méthode verti- cale k).

En 1977, un nouveau dispositif était conSu par

l'équipe du laboratoire de Riverside, pour mesurer la conductiviti électrique apparente au laboratoire.

Il a 6té appelé (( Cellule cylindrique )).

Ces trois dispositifs ont été testés sur plusieurs types de sols halomorphes en Tunisie et au Maroc. Avant de présenter les résultats de ces mesures, il est nécessaire de préciser les principales caracté- ristiques de chacune de ces méthodes, ainsi que les conditions de leur utilisation sur le terrain et au laboratoire.

1.1. Principe de la mesure

L4a résistivité globale (ou a apparente ))) d'un volume de sol est le produit de la résistance apparente V 0 i

par un facteur géométrique (k), qui dépend de l'espacement et de la disposition des électrodes

dans le cas de la méthode du (( quadripôle hori- zontal )), ou d'une constante prédéterminée dans le cas de l'utilisation d'une B sonde électrique )) (quadri- pôle vertical) ou d'une B cellule cylindrique )).

1.2. Rkalisation

1.2.1. MBlwOI1K HORIzON'rALl?, (~~EiYXER)

Méthodologie

Pour mesurer la résistance apparente avec le

quadripôle horizontal, on injecte un courant élec- trique d'intensité 1 i l'aide de deux électrodes extérieures (A, B) symétriques par rapport au cent,re du dispositif (0), et on mesure la différence de potentiel (V) entre les deux électrodes intérieures (M, N) , également symétriques par rapport au centre (0) de telle façon que AB = 3 MN (fig. 1).

On estime selon RHOADES (197F), que la profon-

deur de prospection est pour le dispositif Wenner de AB/3.

1 : Intensité du courant

AV: Diffbencc dr potentiel

A5: Espacrment entre Ier ilrctrodeS

extérieures

MN: Espacement entre les &trOdcS

intérirurrs

0: Centre du dispositif

FIG. 1. - Dispositif expérimental du type Wenner : quadri- pole horizontal

(1) Nous avons préféré à ce vocable le terme de u conductivité Uectrique globale >), puisqu'il s'agit bien d'une v&itable conduc-

tivité electrique et qu'elle intégrc les différentes contributions des phases liquide et solide du sol.

92
Cah. O.R.S.T.O.M., sér. PEdol. vol. XX, no 2, 1983: 91-108. Étude expérirnentalr de la condurtiuité éleclrique globale deî sols (salinité) FIG. 2. - Schéma de la circulation du courant dans le sol

Ai M,A, M. M, 0 N, N1 8, N, 8, El,

do la tee tranche do 0 à 1Ocm la ZiFr tranche do 10 à 20 cm

G, de ta 3@ tranche de 20 6

Le volume de sol prospecté est fonction de l'espace- ment des électrodes, il est égal a :

V =xa3.

a = AB/3. PROFONDEUR EN Cm FIG. 3. ~- Schbma de la profondeur d'invesligation D'après la formule précédente, le volume prospecté augmente au fur et à mesure que (a) augmente. Ainsi, lorsque les électrodes d'injection du courant sont proches l'une de l'autre, les lignes équipoten- tielles du champ électrique sont également proches, et les couches du sol prospectées sont celles de surface.

Par contre quand l'espacement des électrodes

augmente, la circulation du courant se réalise de plus en plus profondément et le volume prospecté est plus grand (fig. 2 et 3). La résistivité apparente (pa) est exprimée par la formule suivante : (les grandeurs sont données en système CGS). pa =2xRa. a = Résistivité apparente en Qjm.

R = Résistance en !A

a = AB/3 en m.

Posons :

K = 2 xa (facteur géométrique), il vient pa = KR. Cah. O.H.S.T.O.M., sér. Pkdol., vol. XX, no 2, 1983: 91-108. 3OC A partir de la mesure de la résistance (R), il est commode d'exprimer la résistivité apparente (pa) en terme de conductivité électrique globale (CEG) par la relation suivante :

CEG=-=%

P" KK CEG = conductivité électrique globale en mmhos/ cm. Pa = résistivité électrique apparente en Q/m.

Cette méthode permet donc de mesurer, pour

chaque écartement + a ) des électrodes, une CEG cumulée entre la surface et une profondeur supposée égale à + a v. On notera cependant que l'hypothèse selon laquelle la profondeur prospectée par le sondage électrique correspond à l'écartement des électrodes s'avère très controversée, par suite de l'influence probable de la croissance rapide du volume prospecté par le courant (fig. 3) et de l'hétérogénéité verticale et aussi horizontale des matériaux (NADLER, 1980).

Ce problème ne sera pas traité ici.

Calcul de la conductivité par tranches de sol

Dans la méthodologie classique des sondages

électriques l'interprétation de la courbe de varia- 93

M. EL OUMRI, J. VIEILLEFON

tion de la résistivité cumulée en fonction de l'écarte- ment des électrodes d'injection de courant (méthode Schlumberger) se fait à l'aide d'abaques précalculées ou selon une méthode graphique qui s'en déduit (MEYER DE STADELHOFEN, 1979), pour obtenir l'épaisseur et la résistivité propre des diverses couches traversées. Dans l'application à la salure des sols, la rapidité et la relative continuité des variations exclut l'emploi de telles méthodes. Aussi, pour estimer la conductivité propre d'une tranche de sol donnée, à partir des mesures avec la méthode du quadripôle ti horizontal b), on pourrait, en s'inspirant des travaux de BARNES (1954), considérer que les strates traversées par le courant réagissent comme des résistances t en parallèle B. Ainsi, pour connaître la conductivité de la tranche 10-20 cm, connaissant les valeurs de la résistivité pour les tranches O-10 cm et O-20 cm, on pourrait écrire : l/Ro-20 = 1F-b1o+l/R10-20. Ro_ro et Ro_se étant les résistances mesurées aux profondeurs estimées 10 et 20, donc avec un écarte- ment correspondant des électrodes (méthode Wenner).

D'où l'on tire, puisque K = 2 xa :

2 xx 2o/po_sc = 2 xx lO/pc_m = 2 xx lo/pio_so.

et 2 CEo- = CEo_io+CE10_20. ou CEu,_zo = 2 CEo_zo - CEo_ro. Pour toute tranche de sol située entre les niveaux n.a, et (n+l) a,,, il vient :

C%a~[n+~)a = b+l) C&+l), - n.CJL.,

ou encore, d'une manière plus générale : CE z'.CE,r - z.CE, Z/Z' = z' - z

Malheureusement ce mode de calcul s'avère

inutilisable dès que la profondeur dépasse quelques dizaines de cm, pour des raisons semblables à l'objec- tion présentée plus haut (NADLER, op. cif.). Il s'avère donc que la méthode du quadripôle (t vertical u, bien que plus laborieuse d'emploi, peut seule renseigner utilement sur la conductivité globale de tranches successives (EL OUMRI, 1978)

1.2.2. METHODE VERTICALE

Une sonde verticale a été réalisée d'après les normes fournies par RHOADES et al. (1977). La prospection électrique que l'on réalise avec cette sonde est appelée u Méthode verticale O, du fait qu'on enfonce progressivement la sonde dans le sol suivant une verticale.

94 Le principe de la mesure est le même que pour

a la méthode horizontale )), mais au lieu d'employer des électrodes sous forme de piquets en acier inoxy- dable ou en bronze, on utilise quatre (( anneaux )) (en bronze), d'un diamètre de 2,9 à 3 cm, d'une hauteur de 0,4 cm, ces électrodes en anneaux sont fixées sur la tête d'une (t canne )), et sur chaque anneau est soudé un fil électrique de faible diamétre.

Par cette méthode, on mesure la résistance

apparente de différentes couches du sol puis on multiplie cette résistance apparente par une cons- tante (K'), appelée constante de la sonde, et qui est déterminée empiriquement au laboratoire, en plon- geant la sonde dans différentes solutions salines de conductivité électrique connue, et en mesurant la résistance de chacune de ces solutions. Connaissant la conductivité et la résistance apparente d'une solution, on a : K' = CEsj0xR2s0. Dans notre cas, cette constante K' est égale à 20, valeur proche de celle qui avait été déterminée au laboratoire de Riverside par RHOADES (1975) (K' =

19,5).

Une fois la constante K' ainsi déterminée, la conductivité électrique globale ramenée à 25 OC est donné par la formule suivante : CEG2s0 =

K' x ft.

Rt CEG2sD = conductivité électrique globale à 25 OC en mmhos/cm. Rt = résistance mesurée à la température (t) en ohm. ft = facteur de correction de la température.

K' = constante de la sonde électrique.

1.2.3. CELLULE CYLINDRIQUE

(( La cellule cylindrique a est un troisième dispositif de mesure de la conductivité électrique apparente, qui est utilisé au laboratoire. Elle est constituée d'un cylindre de El,5 cm de diamètre et de 4 cm de hauteur, fermé à sa base par un fond amovible. Les électrodes sont alors fixées de deux manières : soit à mi-hauteur du cylindre, elles sont dans ce cas régulièrement espacées suivant un angle de

450, donc 8 électrodes autour du cylindre (fig. 4);

pour chaque mesure on utilise 4 électrodes, ce qui permet de réaliser 8 déterminations de la résistance apparente pour un même échantillon, dont on calcule la moyenne ; -- soit sur le seul couvercle (4 électrodes), pour réaliser la mesure on place le couvercle sur le cylindre de façon à ce que les quatre électrodes soient enfoncées dans le sol. Cah. O.R.S.T.O.M., sér. Pédol., vol. XX, no 2, 1983: 91-108. &ude expbimentale de la conduciiuild trlecfrique globule des sols (salinitb) FIG. 4. - Cellule cylindrique à huit électrodes

La constante (K') de ces cellules cylindriques

est déterminée comme précédemment (cas de la sonde verticale), et les valeurs obtenues pour diffé- rents types de cylindres se situent entre 13 et 15.

1.3. Rapports entre la CEG et la conductivit8 de la

solution du sol

Comme on l'a vu dans l'introduction, le principal

objectif de la nouvelle méthode était de substituer à la mesure de la conductivité électrique de l'extrait de saturation, procédure longue et coûteuse, une procédure rapide utilisable (( in situ )F. L'établissement des relations entre ces deux types de mesures constitue en quelque sorte un étalonnage de la nouvelle méthode. Les résultats obtenus sur divers sols halomorphes de Tunisie montrent que dans une gamme d'humidité allant de la saturation à la capacité au champ, on obtient généralement de bonnes relations. Par exemple sur le site d'E1 Habibia (sol salé légèrement alcalin de la basse vallée de la Medjerdah), l'étalon- nage avec des solutions de concentrations différentes, à saturation, a donné, pour l'horizon superficiel (O-20 cm) :

CE,, = 2,16 CEG - 1,92 r = 0,980.

Pour le même sol, sur un profil voisin, étalonné à l'aide de plusieurs campagnes de mesures à diffé- rentes humidités, on a obtenu :

CE,, = 2,15 CEG - 1,30 r = 0,897.

à condition de ne retenir que les mesures faites en sol suffisamment humide. La différenciation due à la texture et à l'alcalinité des sols est illustrée par les valeurs que prennent la pente et l'ordonnée à l'origine des droites de régression obtenues, par exemple :

Cah. O.R.S.T.O.M., s&. Pédol., ~101. XX, no 2, 1983: 31-108. CEe, = 4,8 CEG - 1,27 (r = 0,978) pour un sol salin sableux.

CEeS = 2,15 CEG - 1,30 (r = 0,897) pour un sol salin argileux. CE,, = 1,34 CEG - 14,45 (r = 0,920) pour un sol & alcali argileux. Nous voyons que la pente décroît quand on passe des sols sableux aux sols argileux et que l'ordonnée à l'origine n'est importante que pour le sol à alcali. Cette dernière serait en relation avec la garniture cationique ou la surface d'échange du sol. Ces relations ne sont pas spécifiquement améliorées si l'on remplace la conductivité de l'extrait de saturationPpar la conductivité de la solution du sol calculée à partir du rapport entre la teneur en eau correspondant à l'instant de la mesure de la CEG et le pourcentage de saturation de la pâte. Par contre les résultats sont moins bons si l'on utilise un extrait au lj5 (EL OUMRI 1981). La cause pourrait en être la solubilisation de sels peu solubles, comme le gypse, dans les extraits dilués, phénomène qui peut déjà se produire dans la pâte saturée d'ailleurs.

1.4. Interprétation de la conductivitd Electrique globale

Les études de GUPTA et HANKS (1972) ayant

montré que la conductivité globale variait en fonction de la teneur en eau, suivant une relation de la forme (1) CEG/CESs = a. B+b CEG = conductivité globale.

CEss = conductivité de la solution

du sol.

8 = teneur en eau.

RHOADES & al. (1976) recherchèrent la signification physique des facteurs a et b. Le facteur b étant indépendant de la teneur en eau dans la relation (1) fut attribué à une conductivité de surface et donc caractéristique de la phase solide, liée à la garniture du complexe. La conductivité électrique globale est donc présentée comme la somme de la conduc- tivité due à la phase liquide, dépendant de la teneur en eau et de sa conductivité, et de cette conductivité de surface : (2) CEG = CE,+CE,. Prenant en compte que la conductivité de la phase liquide est non seulement proportionnelle à la teneur en eau (6) et à sa conductivité, mais probablement à la répartition de cette eau dans des pores de formes et de dimensions différentes, on écrit : (3) CEG = CE,,.B.T+CE,. où (< T )) est un coeffkient empirique de transmissivité. Assimilant la porosité ouverte a un système de conducteurs où la teneur en eau à saturation est égale au rapport des volumes des pores au volume total soit 95

A!i. EL OUMRI, J. VIEILLEFON

Os,& = §P.lp/§.l.

avec SP = section des pores.

1, = longueur des pores.

$ = section du sol.

1 = longueur de l'échantillon de sol.

ils trouvent pour la résistivité de la phase liquide : vRifcrs~e lp/%. l/y = ~/CES,. lp/sp. liu ou Y est la

D'où, par réarrangement.

(4) CEss = (l/y). jl~/b). (~/RI). = l/B. [(l/A.(l,/l)*]. l/A(l/R,). où l,/l représente la tortuosité, l/A un coefficient géométrique lié au volume de sol et l'expression

1/A.(1p/1)2 1, inverse du coeficient (< T H.

D'où l'on tire pour la phase liquide l/R, = CE,, .O. T et pour la conductivité globale : CEG = CE,,.6.T+ CE,.

On peut donc déterminer CE, en extrapolant une

telle relation pour CE,, = 0, sur une courbe CEG = f(CE,,), ri 0 constant. De même on calcule T en étudiant la variation du rapport CEJCE,,. en fonction de 6, soit (CEG - CE,)/CE,,.6 = T = a.B+b. ce qui donne la forme générale de l'équation (5) CEG = CE,,.O(a B+b)+CE,. Les valeurs trouvées par les chercheurs de Riverside pour différents sols sont telles que (f a P varie de 1,3 pour un sol sableux à 2,l pour un sol argileux, (1 b )) restant légèrement supérieur à - 0,2.

On remarquera cependant que cette expression

n'est valable au départ que pour un état proche de la saturation, où e varie peu.

1.5. Relation entre la CEG et la teneur pond&ale

en sels du sol Si l'on reprend l'équation générale de la CEG selon RHOADES & al, on voit que, d'une manière rigoureuse, la différence entre la CEG et la conduc- tivité des surfaces d'échange (CE,) est proportion- nelle entre autres au produit (CE,, x 0). Or ce dernier produit est, dans certaines conditions, directement proportionnel Q la teneur en sels calculée du sol, par exemple avec un coefficient multiplicateur moyen de 0,64 (USSL 1954). Si donc on néglige l'effet du facteur de trans- mission (t T D, dont on verra plus loin qu'il ne faut pas trop s'en exagérer l'importance, on peut s'atten- dre à ce que la mesure de la CEG, au moins pour les sols où la CE, est faible, où donc la contribut,ion de la phase liquide est prépondérante, donne une estimation valable de la teneur en sels du sol. En effet, sur une longue série de mesures a

El Habibia (EL OUMRI, 1978), la comparaison de

la CEG avec le produit (PS x CE,,), soit pourcentage de saturation de la pâte par conductivité de l'extrait, fournit une corrélation très significative exprimée par :

TSC y0 = 0,1004 CEG - 0,034 r = 0,902

avec TSC o/O = Teneur en sels calculée. Il en a été de même pour un sol plus alc,alin de la station de Cherfech, peu éloigné d'E1 Habibia, étudié sur un monolithe, où l'on a obtenu (VIEILLE-

FON-1982) :

TSC y0 = 0,0652 CEG+0,854 r = 0,984,

et pour un sol de périmètre gypseux du sud (moyenne de 8 stations), avec

TX 'ji = 0,113 CEG+O,OSO r = 0,934.

On voit que le terme résiduel n'est important

que pour le sol alcalin. En l'absence de traitements particuliers ayant pour but de combattre cette alca- linité, on voit que la méthode peut encore être efficace pour rendre compte des variations éventuelles du stock de sel du sol. Les relations présentées ci-dessous entre la CEG et la teneur (pondérale) en sels semblent légèrement en contradiction avec l'interprétation de RHOADES et al. En effet, cette teneur en sels semble être unique- ment proportionnelle au produit (CE,, .6), ceci n'étant bien sûr valable que dans le cas où tous les sels aisément solubles sont dissous, et où la porosité n'est pas fortement modifiée par des phénomènes de gonflement-retrait, notamment quand la teneur en eau du sol tombe au-dessous d'un seuil a définir.

On sait par ailleurs que RHOADES et al. font

intervenir dans l'expression de la CEG, non seule- ment ce produit, mais également un facteur de transmissivité (T) variable avec la teneur en eau, sous la forme de la relation empirique : T = a.e+b.

Or, si l'on reprend l'expression physique de ce

facteur T (cf. I-D), on remarque qu'il varie en fonction du rapport entre la longueur des pores et l'épaisseur de la couche de sol prospectée par le courant de la mesure électrique.

La longueur des pores est naturellement, hors

les cas de gonflement-retrait important, une valeur constante et caractéristique du type de sol et de sa porosité. En réalité, le facteur qui devrait entrer en ligne de compte est plutôt la proportion relative de pores remplis d'eau (lp*), qui par conséquent sont, susceptibles de conduire le courant électrique, a la porosité totale. On conSoit donc que lorsque

8 diminue, ce rapport lP'/l diminue aussi, ce qui,

selon la relation (4) établie par RHOADRS et al.,

96 Cah. O.H.S.T.O.M., sC~. Pidol., VO~. XX, no 2, 1983: 91-108.

&'tude expérimentale de la condactiuilé Elecirique globale des sols entraînerait une augmentation de T, évidemment contraire à la relation empirique précédente. On peut donc tirer de ceci et des résultats précé- dents deux conclusions : la première est que la formulation de T est inexacte ; la seconde est que probablement des effets plus complexes entrent en jeu, prenant en comptequotesdbs_dbs29.pdfusesText_35

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